最小无线可操控摄像机问世:可装在甲虫头部,向手机实时传输视频

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最小无线可操控摄像机问世:可装在甲虫头部,向手机实时传输视频
麻省理工科技评论 2020-07-23

2020-07-23

最小无线可操控摄像机问世
机器人 科学
最小无线可操控摄像机问世

华盛顿大学的工程师们设计了一种小巧、高效的机器人视觉系统,该系统总重量只有 250mg,相当于一张卡片重量的 1/10。研究人员将其固定在活甲虫的身上,并能够以 1-5 帧 / 秒的速度向智能手机实时传输视频。

这项研究成果发表在最新一期的 Science Robotics 上。

最小无线可操控摄像机问世:可装在甲虫头部,向手机实时传输视频

在电影《蚁人》中,主人公通过缩小身体尺寸,可以随意穿梭于各种岩石缝隙。更为震撼的是,通过昆虫第一视角看到的景象,和我们的认知大为不同。

现在,华盛顿大学的科研人员让电影情节变成了现实。副教授 Shyam Gollakota 带领他的团队,在微软奖学金和美国自然科学基金会的资助下,设计了一款小到可以安装在甲虫背部的视觉系统,该系统可以通过蓝牙装置实时传输甲虫第一视角画面,通信范围比足球场略大,为 120 米。

为什么会选择甲虫?是什么启发了工程师将机械装置和活体生物联系起来?这项研究始于对这样一个问题的探索——如何实现微型机器人视觉功能?

长久以来,复杂的视觉系统必然伴随大尺寸、高能耗,也就是说,只有大型机器人才配拥有视觉系统。而微型机器人,要么无法安装视觉装置(尺寸过大),要么必须带一根长长的线——用来通信和供电,否则续航能力堪忧。

因此,如何给微型机器人设计一款低能耗、高续航、无线的视觉系统,成为机器人领域工程师们的重大挑战。

为了解决这个难题,Gollakota 和他的团队抛开工程领域,到生物学领域寻求答案。通过对一系列生物视觉系统的研究,工程师们发现了有意思的现象。

从低级物种到高级物种,生物体为视觉系统供给的能量是不一样的。比如浮游生物,虽然低级,但通过长期的进化,它们真正做到了视觉系统的“高性价比”,这恰恰是研究人员想在机器人身上实现的。

“高性价比”有两个特征:能省就省,够用就好。

华盛顿大学的工程师们发现,人类作为最高等的生物,我们的眼睛和视觉皮质占人体总重量的 0.6%,而昆虫类,比如苍蝇,该比例却高达 2.5%-13%。

质量占比越高,意味着能耗越大。

拿苍蝇种族中的绿头苍蝇为例,且不说整个视觉系统,单单一个视网膜,就消耗了其代谢能量的 8%。

如此高的能耗,是自然界所无法接受的。因此在漫长的进化中,昆虫 “学会” 了一整套节约能耗的办法。

第一招,只在视网膜的一小片区域发展视觉功能。这有点 “集中优势兵力打击敌人” 的意味,既然视网膜耗能太高,昆虫就缩小视网膜的视觉能力范围。

第二招,多转头,少动身体。如果昆虫想要获得其他方位的画面信息,不需要移动身体,它们的头部可以独立于身体转动。转动头部显然比移动身体更节约能量。更有甚者,头也不转,可以转眼睛。

用工程师的话来说,这一招实现了“高效能收集视觉信息”。

了解到这些关键点,Gollakota 团队尝试将其应用在机器人视觉系统的设计中。

他们的规划是,首先把设计的装置固定在活体甲虫背面,以测试其效果,然后用甲虫大小的机器人替换甲虫,最终实现带有视觉系统的微型机器人设计。

Gollakota 等人设计的这一套机器视觉系统,可以说是昆虫视觉系统的人工版本。

在分辨率上,该系统采用的图像传感器精度和昆虫相当,较低的分辨率意味着更轻、更节约电量。最终的设计也体现了这一点,整套视觉系统总重 250mg,相当于一张卡片的 1/10 重量。

此外,工程人员把摄像头安装在了一个可以旋转的机械装置上,该机械装置通过机载驱动器控制,可以转动 60 度,并且能够左右平移。此举模拟了昆虫的头部功能,即在不移动身体的情况下获得更大的视觉范围。而平移功能允许摄像头捕捉运动物体,甚至能够拍摄全景照片。

最后,工程人员创造性地在视觉系统中添加一个特殊装置——加速计,加速计可以检测甲虫是否处在运动状态。只有当甲虫处在运动状态时,才触发视觉系统的拍摄功能。

用参与项目的该校博士生 Vikram Iyer 的话说,“如果摄像头一直工作,那整个视觉系统只能续航 1-2 小时。安装加速计之后,续航提高到 6 小时”。

加入这一系列仿生设计,机器视觉系统的能耗比传统方式低 24-86 倍。

最小无线可操控摄像机问世:可装在甲虫头部,向手机实时传输视频

最终的实验结果令人满意。由于整个装置足够轻便,甲虫甚至可以背着 “设备” 爬树。而通过智能手机操纵可旋转的摄像头,实现了全景拍摄。

机器视觉系统在甲虫身上获得了成功,团队进而设计了一款甲虫大小的微型机器人,搭载该视觉系统,取得了同样好的实验结果。

最小无线可操控摄像机问世:可装在甲虫头部,向手机实时传输视频

Gollakota 认为,通过大幅度降低传统视觉系统的尺寸、功率与重量,将摄像头的使用拓展到了以前不可能的新领域。

“视觉对沟通和导航都非常重要。当昆虫四处移动时,捕捉和传输实时数据对农业产业、工业物联网的发展非常有益,” Gollakota 说。

同时,该团队准备公开该项目的代码,和所有研究人员共享。

在未来,他们计划在 “低能耗” 上更进一步——彻底摆脱电池的限制,此举可以通过利用太阳能实现。

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